测量电磁场的几种光子传感器机理及其应用

0引言光子电场传感器利用电光效应，即当光信号通过电光材料后，使光信号受到待测电场调制，再从调制光波中解调出被测的电磁信号，这种测量具有抗电磁干扰能力强的优点。

在过去30年中，已开发出不同类型基于电光效应的传感器[1]。

利用电光效应，晶体被用在高电压测量上[2]，一些研究工程已完成测量非常高的电场，如测量高压输电线附近的电场。

然而，为了让一些光线进入传感器头，这种测量系统必须由许多独立的光学元件构建，这使得测量系统复杂，限制了它在实践中的应用。

最近，越来越多的研究集中在：1.集成电光传感器，它其有体积小，操作结构简单和系统化芯片等特点；2.全介质电磁场传感器，它有很多好处是因为它们不会扰乱电磁场、规模小、高度便携且带宽很宽。

集成光电传感器的研究主要集中在如何增加传感器对近场测量的灵敏度[3]。

因此，这种传感器适合广泛应用于弱电磁信号检测[4]。

在高电压测量，一些领域研究人员使用这种传感器获取微弱的放电或小电压信号。

电光调制器被用于在高压输电电缆的局部放电来获得信号[5-6]。

已有报道，全介质电磁场传感器的测量可达到200V/m [7]。

即使这对一些电场测量是足够的，但对于宽频带源的测量仍然显得不足。

当然，研究者也在坚持不懈的探索如何有效地改进传感器的敏感性。

下面分别介绍的几种典型的光子电场传感器。

2
三种不同类型的光电传感器
2.1
D 型光纤与电光平板耦合的光电传感器
电场测量已广泛应用于商业，工业和科学的很多领域，如高能微波武器使用电场去破坏或是干扰电子系统，破坏电子的电场振幅典型值约为10kV/m ，最低可以达到100V/m [12-13]。

商业中，D 点传感器在测量电场方面表现出足够的灵敏度；但是由于D 点传感器是金属，故而有第二章中探讨的问题，基于此，美国的Spencer Chadderdon 等[8]人研究出了基于光纤的的介电电磁场传感器：基于平板耦合光纤传感器（SCOS ）。

该传感器（SCOS ）的电场传感器通过使用光纤和非线性光学平板波导之间的光谐振耦合来传输的，结构如图1所示，传感器是由一个厚度为t ，折射率n0接近光纤纤芯N f 的平板波导与一个D 型包层的光纤组成。

N f 表示光纤的有效折射率，n 0是平板波导的折射率、t 是平板波导的厚度,d 为光纤纤芯与平板波导之间的距离。

传感器的工作原理:由于平板波导是用电光材料做的，电光（EO ）平板折射率在外加电场作用下的会发生变化并产生共振波长的转变，当把固定共振波长的偏振光耦合到D 型光纤上，光耦合到平板上的方向与晶体的X-Z 面成一个角度，在其中传输（如图2）过程中发生电光调制，在光纤末端
测量可测出调制光。

图1平板耦合光纤传感器的横截面图[8]
Fig.1.Cross-sectional diagram of an SCOS.
图2
偏振光在传感器的光纤和平板波导上传播的射线图[8]
Fig.2.Ray diagram for polarized light propagating in the fiber and
slab waveguide of an SCOS.传感器平板波导材料参数的敏感性依赖于折射率、线性电光系数和射频介电常数。

研究表明：除了大的电光系数、低射频介电常数是对这类传感器的高灵敏度是非常重要的。

Spencer Chadderdon 等人创建独立式电光聚合物薄膜，然后连接到D 型光纤.他们通过对各种材料的实验得出电光材料的选取应该有大的电光（EO ）系数和低的射频（RF ）介电常数，为生产出窄共振的SCOS ，平板波导需要均质且厚度在20μm 左右。

经过这样改进的传感器不会扰乱待测电磁场，具有规模小、高度便携以及宽带宽等特点，弥补了D 点传感器的不足。

2.2强度电场测量的集成电光传感器
在无源电光式传感器出现以前,对于瞬态电磁场测试,较常采用下述两种方式实现全波形的测量:（1）采用棒状单极子、网拍、球状天线等感应空间电场信号,配以有源射极跟随器或差分放大器,用高频
※基金项目：此文为国家自然科学基金资助项目研究成果，项目编号61040064。

作者简介：弟寅（1986—），女，硕士生，主要研究方向为微波光子学及声光集成。

导师简介：陈明（1956—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为微波光子学及声光集成。

测量电磁场的几种光子传感器机理及其应用
弟寅1陈明1席洁2陈乐建1
（1.西安邮电大学电子工程学院，陕西西安710061；2.西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西西安710061）
【摘要】本文介绍了三种基于不同机理实现电磁场测量的光子传感器工作原理、制作及应用，它们分别是：基于D 型光纤与电光聚合物板耦合的光电传感器；测量高强度电场的集成光电传感器；恶劣环境中的反转域铌酸锂全光学电场传感器。

【关键词】集成光电传感器；电光聚合物板；D 型光纤；铌酸锂；电磁场测量
The Mechanism and Application of Several Electro-optic Sensors for Measuring Electromagnetic Fields
DI Yin 1CHEN Ming 1XI Jie 2CHEN Le-jin 1
(1.Xi'an University of Posts and Telecommunications School of Electronics Engineering,Xi'an Shaanxi,710061,China;2.Xi'an University
of Posts and Telecommunications School of Communication and Information Engineering,Xi ’an Shaanxi,710061,China)
【Abstract 】The operating principles ，fabrication processes,and application prospects of three kinds of electro -optic sensor are introduced for measuring electromagnetic fields,respectively.The three types of sensors are electric -field sensors utilizing coupling between a D -fiber and an electro-optic polymer slab,integrated electro-optic sensor for intensive electric field measurement,and All-optical electric field sensor in domain inverted for harsh environment,respectively.
【Key words 】Integrated electro-optic sensor;Electro-optic polymer slab;D-fiber ，LiNbO 3，Measuring electromagnetic
fields
科
●
同轴电缆传输信号;（2）基于半导体激光器的有源光纤传输系统,将天线感应的空间电场信号转换为电压(电流)信号,并驱动线性区工作的激光器,实现电-光转换,在终端再将光信号转换为电信号[14]。

这样的方法，也存在第二章中的问题，为此，Rong Zeng 等人设计了一种光纤传感器，设计时采用了Mach-Zehnder 式集总参数强度调制器。

通过使用马赫曾德干涉仪其中一个典型的传感器的结构（如图3所示）。

输入光通过左边的Y 型耦合器，然后分为两等份通过两个横波导（即波导1波导2）传输。

通过波导1的光是由电极和天线施加的电场调制的。

波导1波导2光传递到右边的Y 型耦合输出。

输出光信号的振幅通过光接收机测量。

激光二极管作为光源，光电二极管如PIN 光电二极管或雪崩光电二极管用来作为光接收机。

通过检测光电二极管、适用频谱分析仪、示波器，或其它信号处理器件来分析处理由调制光波转换的电信号。

图3传感器的结构示意图：（a ）俯视图，（b ）截面图[9]
Fig.3.The structure of the sensor:(a)Top view and ，(b)Cross section view.
Rong Zeng [9]等人由此设计了三种电极和天线数。

类型a ：两个电极与垂直偶极子天线连接，如图4（a ）所示。

类型b ：水平偶极子天线与电极完全结合，如图4（b ）所示，电极之间的差距扩大（这里约100微米），且电极的长度缩短。

类型c ：为了测量更密集的电场，提出并制造了一个用单模电极的新方案。

这种新颖的设计是一个简单的单模电极没有任何天线图4（c ）所示。

图4电极的结构图[9]
Fig.4.The structure of the sensors.
该传感器可被用来测量电场密集和电源频率为1GHz 范围内的
频率响应。

Rong Zeng [9]等人对这三种电极所做的实验结果发现，除了750MHz 的频率，从100MHz 到1GHz 的三种传感器的响应特性几乎平稳。

而且c 类传感器的频率响应曲线几乎从1MHz 到100MHz 一直保持平稳。

这表明，传统采用天线的两种设计不适合用于高场强测量，而没有天线的单模电极传感器c 则可以实现高场强测量。

谢彦召等人[14]设计的电光式传感器就是采用了天线的设计，对比两者就会发现，没有天线的单模电极传感器c 可以测量更高场强，从这一侧面更印证了上述实验结果。

且这种传感器设计合理,不受电磁干扰,小巧方便,提供了保持时域保真性所需的宽带和低频等特点,能再现所测信号的幅度大小和相位信息。

此外,脉冲电场测量的实验和应用表明，该传感器c 很适用于短暂密集的测量如闪电电场的以及空气击穿的测量。

2.3恶劣环境中的反转域铌酸锂全光学电场传感器
D.Tulli 等人[10]提出一种新型的在没有任何金属部件Z 切铌酸锂晶体基片上的集成光学高电压传感器，装置设计如图5（左）。

他们把
退火质子交换（APE ）附近截止波导由Z 切铌酸锂制作且集中在一个域反转区。

外加电场平行于装置的z 轴，可以在中央反转域的折射率上引起一个增量，而外部域的折射率降低，波导边缘的负域反转域被纵向限制。

传播一定长度后，由于有源区域和无源区域导模之间的模式配置不匹配，光模式展宽产生损耗。

图5
（左）电极传感器的截面图；（右）由传感器检测的一个典型的
1.1GHz 的射频信号[10]
Fig.5.(left)Cross-section schematic of the electrode free sensor and,(right)A typical RF signal detected by the sensor at 1.1GHz.D.Tulli 等人通过检测2.6MV/m 直流场来展示1.1GHz 射频电磁场光电传感器的工作原理。

HP8642信号发生器提供射频信号经微带天线辐射，在1.1GHz 射频检测到一个典型的射频频谱如图5（右）所示。

在实验中，能够检测到范围从19V/m 到23KV/m 的射频磁场强度[10]。

这表明它适合于在高电场和较恶劣的条件下使用，进一步的铌酸锂薄化和不同材料基板的使用可以增加灵敏度。

3结论与展望
本文介绍了基于不同机理的几种不同结构的光子电场传感器，由于铌酸锂晶体和电光聚合物等具有优良的电光、非线性光学特性，抗电磁干扰特性，光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器结构简单，形式灵活多样，因此,光子电磁场传感器在检测和控制中应用将会越来越广泛。

采用新材料、新结构、新设计概念、多功能集成是当前光子电磁场传感器的一些发展趋势。

例如，就新材料而言，石墨烯是近年来被发现的一种新的优良导光和导电材料，已经引起国内外研究者的极大关注，可以预见，在不久的未来一定会开发出基于石墨烯的高性能光子电磁场传感器。

就多功能集成而言，将能够适合不同强度、不同频率范围、不同环境（即非恶劣环境与恶劣环境）的电磁场测量的多种光子电磁场传感器混合集成甚至单片集成的器件也将会在不远的未来相继问世。

其次，在线化、智能化、便于无线遥感和遥控也始终是光子电磁场传感器追求的目标。

【参考文献】
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［１４］
谢彦召,焦杰,郑振兴,“瞬态电磁场测试的无源电光式传感器”,强激光与粒子束，Vo l.11,No.3,1999:363-366.
［责任编辑：曹明明］
设控制系统如图4所示。

若要求校正后系统的静态速度误差系统等于30S-1，相角裕度不低于40°，幅值裕度不小于10dB ，截止频率不小于2.3rad/s ，试实际串联滞后校正装置。

图2
控制系统
（1）根据系统给定的静态速度误差系数，确定开环增益k＝k v ＝30s －1，故待校正系统开环传递函数应取G 0（s ）＝
30s （1＋0．1s ）（1＋0．2s ）。

（2）在Matlab 的COMMAND 窗口输入以下命令：>>z=[]；
>>p=[0-10-5]；>>k=1500；
>>[num ，den]=zp2tf （z ，p ，k ）；
>>[mag ，phase ，w]=bode （num ，den ）；>>margin （mag ，phase ，w ）；可得未校正系统Bode 图：
图3未校正系统Bode 图
由图3中可以看出，截止频率为ω′
c =9.77rad/s 相角裕度为-17°，不符合系统要求，下面进行串联滞后校正。

根据γ′′
≥=40°及φc （ωc ′′
）=-60
，在COMMAND 窗口输入w=solve （’
pi/2-atan （0.1*x ）-atan （0.2*x ）=46*pi/180’），可得w=2.736。

由于指标要求ωc ′′
≥2.3rad/s 的要求，故新的截止频率为2.3rad/s
≤ωc ′′
≤2.7rad/s 。

考虑到截止频率取值较大时，已校正系统响应速度较快，且滞后网络时间常数T 较小，便于实现，故选取ωc ′′
=2.7rad/s 。

（3）在COMMAND 窗口输入
b=1/abs （30/（j*w*（0.1*j*w+1）*（0.2*j*w+1）））；T=10/（b*w ）
得b =0.1059，T =34.9583。

（4）校正网络传递函数为G c （s ）=1+bTs 1+Ts =1+3.7s 1+35s
，校正后系统的
传递函数为G 0（s ）=
30（1+3.7s ）s （1+0.1s ）（1+0.2s ）（1+35s ）。

（5）校验，在MATLAB/SIMULINK 环境下搭建仿真模型进行仿真，其模型图如图4所示：图4
Simulink 仿真图
单击Scope 模块后，得到校正后系统阶跃响应图5，学生能够直观看到校正后的效果，可以加深对知识的了解。

图5校正后系统阶跃响应图
同时，教师在课堂上还可以通过在command 窗口简单输入命令，得到原系统及新系统的Bode 图对比如图6所示，这种方式比传统的繁琐计算结果更具有说服力，也更节约课堂时间。

图6校正前后系统Bode 图
通过借助了Simulink 仿真的演示，使学生能直观明白校正到底有什么用，从而能够对研究校正方法产生兴趣，而在校正的过程中，借助matlab 的控制工具箱的函数，使得繁琐的计算过程简易化，只需关系校正的原理，达到学生的目的。

3结论
本文只是以机电类的两类主要专业课程计算方法以及自控原理为例，说明了matlab 在机电类专业课程的教学应用情况。

当然，该程序语言的应用不仅仅在此，在信号与系统，机械设计，电气设计等方向，也可以用matlab 方便教师的课堂演示。

而且，在课堂引入matlab 的教学方法，不仅提高了学生学习的兴趣，而且有利于培养学生应用计算机辅助分析及设计的综合能力
，
达到
“
以用促学
”的效果，有效的提高了教学质量。

【参考文献】
［1］冯巧红，韩江.Matlab 在机电一体化专业教改实践中的应用探讨[J].滁州职业技术学院学报，2010，9（3）：19-21.
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［4］刘卫国.MATLAB 程序设计与应用．2版[M].高等教育出版社，2006．［5］胡寿松.自动控制原理．5版[M].科学出版社，2007．
［责任编辑：周娜］
科
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